【摘要】：高溫超導(dǎo)體因其優(yōu)異的載流能力和較高的臨界磁場,使其一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就受到了廣泛的關(guān)注,并且在醫(yī)療技術(shù)及核聚變裝置等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)材料的工作環(huán)境為極低溫、大電流和強磁場,極端環(huán)境下的熱穩(wěn)定性及力學(xué)特性已經(jīng)是制約超導(dǎo)結(jié)構(gòu)安全運行的關(guān)鍵因素。在極低溫的環(huán)境中,超導(dǎo)體內(nèi)的磁通渦旋運動可能會引起磁熱不穩(wěn)定,如超導(dǎo)體的磁通跳躍會導(dǎo)致其體內(nèi)磁場和電流分布的急劇變化,并伴隨著顯著的溫度跳躍,從而威脅超導(dǎo)材料及結(jié)構(gòu)運行的穩(wěn)定性。而在高場下,超導(dǎo)體將會承受極大的電磁應(yīng)力及熱應(yīng)力,其可能導(dǎo)致材料發(fā)生永久性的損傷或破壞,直接威脅超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的安全。本文針對超導(dǎo)材料的熱穩(wěn)定性及力學(xué)特性,基于快速傅里葉變換的方法研究了高溫超導(dǎo)薄膜內(nèi)的磁通崩塌行為,探討了外場條件下超導(dǎo)體中的力學(xué)響應(yīng),分析了電磁力作用下Bi2212超導(dǎo)復(fù)合線材的斷裂特性。首先,本文介紹了描述超導(dǎo)電磁場特性的基本方程,給出了快速傅里葉變換計算磁熱耦合方程的基本計算流程。在此基礎(chǔ)之上,計算了薄膜中的磁通動力學(xué)行為,并且詳細(xì)地分析了非均勻薄膜、含有內(nèi)部裂紋的薄膜以及多塊排列式薄膜中的磁通崩塌行為。考慮了加載速率、環(huán)境溫度、外磁場大小以及缺口等因素對磁通崩塌的影響,并對比了均勻薄膜與非均勻薄膜的磁通崩塌。對于含內(nèi)部裂紋的薄膜,分析了磁通崩塌與缺陷位置、角度以及長度之間的關(guān)系。多塊排列式薄膜的計算結(jié)果表明,相鄰薄膜中的電流和磁場相互影響,從而導(dǎo)致在兩塊薄膜相鄰的邊界處比較容易出現(xiàn)磁通崩塌。其次,研究了薄膜在外磁場下的力學(xué)響應(yīng)。基于快速傅里葉變換方法,得到了超導(dǎo)體內(nèi)電流和磁場的分布,進而給出薄膜內(nèi)的電磁體力分布。結(jié)合有限元方法及超導(dǎo)薄膜中的電磁體力,研究了圓形和方形薄膜在下降場和上升場中的應(yīng)力變化,分析了缺口、夾雜以及基底等因素對其應(yīng)力分布的影響。在磁場下降階段,薄膜內(nèi)同時存在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,其可能導(dǎo)致薄膜的破壞。此外,也考慮了磁通崩塌期間的熱應(yīng)力。在磁通崩塌初期,薄膜內(nèi)的熱應(yīng)力為壓應(yīng)力;當(dāng)磁通崩塌發(fā)生完全時,薄膜內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力,而且應(yīng)力主要集中在磁通崩塌的區(qū)域。最后,建立了雙懸臂梁橋接模型研究了Bi2212線材中的斷裂行為。通過分別建立對稱模型、非對稱模型以及四層梁結(jié)構(gòu)模型研究了芯絲中的裂紋問題�？紤]了芯絲中氣泡的位置、大小以及夾層物質(zhì)等的影響。超導(dǎo)線材中銀層和超導(dǎo)層的比例會改變其力學(xué)性能與載流能力。數(shù)值計算結(jié)果表明,橋接芯絲的位置對于雙懸臂梁應(yīng)變和應(yīng)變能釋放率的影響是不一致�？傊�,本文通過研究高溫超導(dǎo)材料的磁通崩塌行為及力學(xué)響應(yīng),為極低溫、高電流情況下超導(dǎo)體的平穩(wěn)運行提供了較好的理論依據(jù)。本文的研究對超導(dǎo)電子器件及結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全運行有一定的參考價值。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM26
【圖文】：

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)材料，使得超導(dǎo)體可以在液廣泛應(yīng)用的可能。高溫超導(dǎo)體具有較高的臨界轉(zhuǎn)可以制備成具有大尺度、高磁場的超導(dǎo)磁體，具電機、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)儲能器等大型磁體裝置材料在能源領(lǐng)域、信息通訊、醫(yī)療衛(wèi)生、軍工技值。由于超導(dǎo)材料所處的工作環(huán)境為極低溫、高可避免的會受到外界的機械荷載、溫度擾動等因電磁體力，并且會伴有熱量耗散, 容易發(fā)生磁熱的損壞，影響超導(dǎo)裝置的安全運行，因此研究超以及力學(xué)響應(yīng)問題對其工程應(yīng)用具有非常重要的的發(fā)展歷程

圖 1-2 各種超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)的時間[3]超導(dǎo)研究突破性的進展發(fā)生在 1986 年，瑞士蘇黎世的 IBM 公司的科學(xué)和繆勒[4]做出了具有突破意義的工作。他們在研究LaBaCuO陶瓷氧化物了其具有超導(dǎo)電性，臨界溫度可以達到 35K。在 1987 年，美國科學(xué)家吳茂昆等人[5]和我國科學(xué)家趙忠賢、陳立泉等人[6]分別獨立地發(fā)現(xiàn) YB超導(dǎo)體，其臨界溫度為 90K，首次突破了液氮溫度 77K。從此開始，超

蘭州大學(xué)博士論文部的磁場分布過程中高[76行為穩(wěn)定行為及其伴隨的1.21.2.過程中伴隨著溫度的巨大跳躍76]，從而會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力行為是影響超導(dǎo)研究現(xiàn)狀.1 磁熱不穩(wěn)定部的磁場分布，從而嚴(yán)重影響超導(dǎo)材料的伴隨著溫度的巨大跳躍從而會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力超導(dǎo)電子器件安全運行的關(guān)鍵因素之一穩(wěn)定行為及其伴隨的力學(xué)磁熱不穩(wěn)定行為的研究從而嚴(yán)重影響超導(dǎo)材料的伴隨著溫度的巨大跳躍，超導(dǎo)體內(nèi)的局部溫度會超過臨界溫度數(shù)倍甚至更[77電子器件安全運行的關(guān)鍵因素之一力學(xué)問題對超導(dǎo)電子器件的應(yīng)用具有行為的研究從而嚴(yán)重影響超導(dǎo)材料的超導(dǎo)電性超導(dǎo)體內(nèi)的局部溫度會超過臨界溫度數(shù)倍甚至更77, 78]，這將會使材料發(fā)生破壞對超導(dǎo)電子器件的應(yīng)用具有高溫超導(dǎo)材料的磁通崩塌及力學(xué)行為研究超導(dǎo)電性[15]。此外磁熱不穩(wěn)定行為這將會使材料發(fā)生破壞[80]。因此此外磁熱不穩(wěn)定行為[79因此研究超導(dǎo)體的對超導(dǎo)電子器件的應(yīng)用具有重要的意義此外磁熱不穩(wěn)定行為發(fā)生79]。磁熱不穩(wěn)定研究超導(dǎo)體的磁熱不意義。發(fā)生磁熱不穩(wěn)定磁熱不

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6 王e

本文編號：2788012